Introduction to plasma physics and controlled fusion

Preface......Page 6
Contents......Page 8
 1.1 Occurrence of Plasmas in Nature......Page 14
 1.2 Definition of Plasma......Page 15
 1.3 Concept of Temperature......Page 17
 1.4 Debye Shielding......Page 20
 1.6 Criteria for Plasmas......Page 24
 1.7 Applications of Plasma Physics......Page 25
  1.7.2 Controlled Thermonuclear Fusion......Page 26
  1.7.4 Modern Astrophysics......Page 27
  1.7.5 MHD Energy Conversion and Ion Propulsion......Page 28
  1.7.7 Gas Lasers......Page 29
  1.7.10 Atmospheric Plasmas......Page 30
  2.2.1 E=0......Page 32
  2.2.2 Finite E......Page 34
  2.2.3 Gravitational Field......Page 37
  2.3.1 : Grad-B Drift......Page 39
  2.3.2 Curved B: Curvature Drift......Page 41
  2.3.3 BB: Magnetic Mirrors......Page 42
 2.4 Nonuniform E Field......Page 48
 2.5 Time-Varying E Field......Page 50
 2.6 Time-Varying B Field......Page 52
 2.7 Summary of Guiding Center Drifts......Page 54
  2.8.1 The First Adiabatic Invariant, μ......Page 55
  2.8.2 The Second Adiabatic Invariant, J......Page 57
  2.8.3 The Third Adiabatic Invariant,......Page 60
 3.1 Introduction......Page 63
  3.2.1 Maxwell´s Equations......Page 64
  3.2.2 Classical Treatment of Magnetic Materials......Page 65
  3.2.3 Classical Treatment of Dielectrics......Page 66
  3.2.4 The Dielectric Constant of a Plasma......Page 67
  3.3.1 The Convective Derivative......Page 68
  3.3.2 The Stress Tensor......Page 71
  3.3.3 Collisions......Page 74
  3.3.4 Comparison with Ordinary Hydrodynamics......Page 75
  3.3.6 Equation of State......Page 76
 3.4 Fluid Drifts Perpendicular to B......Page 77
 3.5 Fluid Drifts Parallel to B......Page 83
 3.6 The Plasma Approximation......Page 85
 4.1 Representation of Waves......Page 87
 4.2 Group Velocity......Page 89
 4.3 Plasma Oscillations......Page 90
 4.4 Electron Plasma Waves......Page 95
 4.5 Sound Waves......Page 101
 4.6 Ion Waves......Page 102
 4.7 Validity of the Plasma Approximation......Page 104
 4.8 Comparison of Ion and Electron Waves......Page 105
 4.9 Electrostatic Electron Oscillations Perpendicular to B......Page 108
 4.10 Electrostatic Ion Waves Perpendicular to B......Page 114
 4.11 The Lower Hybrid Frequency......Page 116
 4.12 Electromagnetic Waves with B0=0......Page 118
 4.13 Experimental Applications......Page 121
  4.14.1 Ordinary Wave, E1  B0......Page 125
  4.14.2 Extraordinary Wave, E1  B0......Page 127
 4.15 Cutoffs and Resonances......Page 129
 4.16 Electromagnetic Waves Parallel to B0......Page 132
  4.17.1 The Whistler Mode......Page 134
  4.17.2 Faraday Rotation......Page 136
 4.18 Hydromagnetic Waves......Page 138
 4.19 Magnetosonic Waves......Page 143
 4.20 Summary of Elementary Plasma Waves......Page 146
 4.21 The CMA Diagram......Page 147
  5.1.1 Collision Parameters......Page 157
  5.1.2 Diffusion Parameters......Page 159
  5.2.1 Ambipolar Diffusion......Page 160
  5.2.2 Diffusion in a Slab......Page 162
  5.2.3 Diffusion in a Cylinder......Page 165
  5.3.1 Constant Ionization Function......Page 166
  5.3.3 Line Source......Page 167
 5.4 Recombination......Page 168
 5.5 Diffusion Across a Magnetic Field......Page 169
  5.5.1 Ambipolar Diffusion Across B......Page 173
  5.5.2 Experimental Checks......Page 174
 5.6 Collisions in Fully Ionized Plasmas......Page 176
  5.6.1 Plasma Resistivity......Page 178
  5.6.2 Mechanics of Coulomb Collisions......Page 179
  5.6.3 Physical Meaning of η......Page 181
  5.6.5 Pulsed Currents......Page 183
 5.7 The Single-Fluid MHD Equations......Page 184
 5.8 Diffusion of Fully Ionized Plasmas......Page 186
  5.9.1 Time Dependence......Page 188
  5.9.2 Time-Independent Solutions......Page 189
 5.10 Bohm Diffusion and Neoclassical Diffusion......Page 190
 6.1 Introduction......Page 198
 6.2 Hydromagnetic Equilibrium......Page 199
 6.3 The Concept of β......Page 201
 6.4 Diffusion of Magnetic Field into a Plasma......Page 203
 6.5 Classification of Instabilities......Page 207
  6.5.3 Universal instabilities......Page 208
 6.6 Two-Stream Instability......Page 209
 6.7 The ``Gravitational´´ Instability......Page 213
 6.8 Resistive Drift Waves......Page 217
 6.9 The Weibel Instability......Page 221
 7.1 The Meaning of f(v)......Page 222
 7.2 Equations of Kinetic Theory......Page 228
 7.3 Derivation of the Fluid Equations......Page 233
 7.4 Plasma Oscillations and Landau Damping......Page 235
 7.5 The Meaning of Landau Damping......Page 241
  7.5.1 The Kinetic Energy of a Beam of Electrons......Page 244
  7.5.2 The Effect of Initial Conditions......Page 248
 7.6 A Physical Derivation of Landau Damping......Page 249
  7.6.1 The Resonant Particles......Page 253
  7.6.2 Two Paradoxes Resolved......Page 254
 7.7 BGK and Van Kampen Modes......Page 255
 7.8 Experimental Verification......Page 256
 7.9 Ion Landau Damping......Page 260
  7.9.1 The Plasma Dispersion Function......Page 261
  7.9.2 Ion Waves and Their Damping......Page 263
 7.10 Kinetic Effects in a Magnetic Field......Page 267
  7.10.1 The Hot Plasma Dielectric Tensor......Page 268
  7.10.2 Cyclotron Damping......Page 270
  7.10.3 Bernstein Waves......Page 271
 8.1 Introduction......Page 278
  8.2.1 The Necessity for Sheaths......Page 280
  8.2.2 The Planar Sheath Equation......Page 281
  8.2.3 The Bohm Sheath Criterion......Page 283
  8.2.4 The Child-Langmuir Law......Page 284
  8.2.5 Electrostatic Probes......Page 285
 8.3 Ion Acoustic Shock Waves......Page 287
  8.3.1 The Sagdeev Potential......Page 288
  8.3.2 The Critical Mach Numbers......Page 290
  8.3.3 Wave Steepening......Page 292
  8.3.5 Double Layers......Page 293
 8.4 The Ponderomotive Force......Page 295
  8.5.1 Coupled Oscillators......Page 298
  8.5.2 Frequency Matching......Page 299
  8.5.3 Instability Threshold......Page 302
  8.5.4 Physical Mechanism......Page 304
  8.5.5 The Oscillating Two-Stream Instability......Page 306
  8.5.6 The Parametric Decay Instability......Page 309
 8.6 Plasma Echoes......Page 312
 8.7 Nonlinear Landau Damping......Page 315
  8.8.1 The Korteweg-de Vries Equation......Page 318
  8.8.2 The Nonlinear Schrödinger Equation......Page 323
 8.9 Reconnection......Page 333
 8.10 Turbulence......Page 335
 8.11 Sheath Boundaries......Page 340
  9.1.1 Pure Electron Plasmas......Page 343
  9.1.2 Experiments......Page 344
 9.2 Solid, Ultra-Cold Plasmas......Page 345
 9.3 Pair-ion Plasmas......Page 347
 9.4 Dusty Plasmas......Page 349
  9.4.1 Dust Acoustic Waves......Page 352
  9.4.2 Dust Ion-acoustic Waves......Page 354
 9.5 Helicon Plasmas......Page 356
 9.6 Plasmas in Space......Page 359
 9.7 Atmospheric-Pressure Plasmas......Page 360
  9.7.1 Dielectric Barrier Discharges......Page 361
  9.7.2 RF Pencil Discharges......Page 362
 10.1 Introduction......Page 364
  10.2.1 Magnetic Fusion......Page 365
   10.2.1.1 Pinches and Pulsed Power......Page 368
   10.2.1.2 Magnetic Mirrors......Page 372
   10.2.1.4 Stellarators......Page 377
   10.2.1.5 Tokamaks......Page 382
    Islands and Bananas......Page 384
    Bootstrap Current......Page 386
    The H-Mode......Page 387
    D-Shapes and Divertors......Page 388
    The Density Limit......Page 389
    Heating and Current Drive......Page 390
   10.2.1.6 Spheromaks and Spherical Tokamaks......Page 393
 10.3 Plasma Accelerators......Page 395
  10.3.1 Free-Electron Lasers......Page 401
  10.4.1 Glass Lasers......Page 402
 10.5 Semiconductor Etching......Page 408
  10.6.1 General Principles......Page 414
   10.6.2.2 Hall Thrusters......Page 416
   10.6.2.3 Helicon Thrusters......Page 417
 10.7 Plasmas in Everyday Life......Page 420
ErratumErrata to: Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion......Page 421
 Units......Page 422
 Useful Constants and Formulas......Page 423
 Useful Vector Relations......Page 424
 Cylindrical Coordinates (r, θ, z)......Page 425
Appendix B: Theory of Waves in a Cold Uniform Plasma......Page 426
 Part A (One Hour, Closed Book)......Page 432
 Part B (Two Hours, Open Book; Do 4 Out of 5)......Page 435
Appendix D: Answers to Some Problems......Page 438
Index......Page 494